Орнитоптер на мускульной тяге

Орнитоптер

Орнитоптер Джоджа Уайта (англ. George R. White) на мускульной тяге, 1927 год.Аппарат разбился во время тестового полёта.

Орнито́птер (англ. ornithopter, от др.-греч. ὄρνις, родит. п. ὄρνιθος — птица и πτερόν — крыло) — воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полёте в основном за счёт реакций воздуха с его плоскостями, которым придаётся маховое движение.

В русском языке распространены синонимы — махолёт, птицекрылый летательный аппарат и т. п.

В соответствии с Приложением 7 к Конвенции о международной гражданской авиации орнитоптеры входят в группу воздушных судов тяжелее воздуха, оснащённых силовой установкой. Хотя в истории известно множество попыток создания орнитоптера на мускульной тяге, но до сих пор не создано ни одного такого аппарата. Основная проблема в создании пилотируемого орнитоптера на мускульной тяге заключается в недостаточно высоком отношении вырабатываемой человеком мощности в течение длительного времени к суммарной массе аппарата и самого пилота. Проще говоря, современный человек не настолько силён и вынослив, чтобы поднять с помощью искусственных крыльев свой вес от земли и продержаться в воздухе хотя бы несколько секунд.

Теоретическая реализация

Орнитоптер на мускульной тяге

Орнитоптер Эдварда Фроста из ивы, шёлка и перьев, 1902 год.

По различным данным средняя предельная мощность человека, которую он способен выработать за первые 10 секунд равна 1,85 л. с., а при дальнейшей работе в течение 1—2 минут мощность падает до 0,5 л. с. Мощность, необходимая птице для полёта, составляет до 0,02 л.с. на килограмм веса. Предельных показателей мощности могут достигнуть лишь спортсмены-тяжеловесы, вес которых превышает создаваемую подъёмную силу даже без учёта веса летательного аппарата. Теоретически, если бы человек, обладающий весом 75 кг, смог бы выработать предельную мощность, то он смог бы осуществить полёт на орнитоптере весом 15 кг за счет лишь мускульной тяги, однако такой полёт продолжался бы не более нескольких секунд.

Как вариант, рассматривались и идеи использования пружинных, резиновых, пневматических и других аккумуляторов для накопления энергии, вырабатываемой человеком в моменты наименьших нагрузок. Наилучших результатов можно было бы достичь путём зарядки аккумулятора ещё до начала полёта. Но в этом случае такое приспособление по сути становится обычным двигателем с малым КПД. Подобные аккумуляторы нашли свое применение в небольших моделях орнитоптеров. Например, в одной из первых свободнолетающих моделей беспилотных орнитоптеров, созданной Альфонсом Пено в 1872 году, в качестве двигателя используется закручиваемая резина.

Планёр-орнитоптер

В связи со сложностью реализации пилотируемого безмоторного орнитоптера как самодостаточного летательного аппарата, возникла идея объединения орнитоптера с планёром. Суть заключается в том, что аппарат поднимается в воздух с посторонней помощью (например, буксировкой, с помощью лебедки), а механизм пропеллирования (взмахов крыльями) используется для последующего поддержания планёра на постоянной высоте при свободном полёте. Такие аппараты не могут считаться «настоящими» орнитоптерами, поскольку не способны самостоятельно оторваться от земли. Формула вычисления мощности, необходимой для поддержания планёра в воздухе, выглядит следующим образом:

где — масса летательного аппарата вместе с пилотом, кг;

— скорость снижения аппарата, м/сек.

Если принять скорость снижения равной 0,45 м/сек, а затрачиваемую мощность – 0,6 л.с. (даже при условии 100 % КПД), то вес такого аппарата вместе с пилотом не должен превышать 100 кг. При этом человек не сможет долго поддерживать полёт, поскольку ему необходима энергия ещё и для того, чтобы управлять самим планёром.

Моторный орнитоптер

Постройка пилотируемого моторного орнитоптера должна стать промежуточным шагом на пути к орнитоптеру на мускульной тяге, поскольку эта задача решается в некотором роде проще — конструкторы избавлены от трудноразрешимой проблемы недостатка мощности человека. Основная проблема при постройке моторного орнитоптера сводится к выбору используемого двигателя.

Исследование полёта птиц показало, что с увеличением размеров птицы количество взмахов крыльями уменьшается.^[11] Приблизительное число взмахов для пилотируемого орнитоптера будет составлять примерно 50 взмахов в минуту. В связи с необходимостью трансформации вращательного движения в поступательное и редуцирования высоких оборотов современные двигатели внутреннего сгорания не самым лучшим образом подходят для решения этой задачи. Если даже «избавить» двигатель внутреннего сгорания от коленчатого вала, сделать его тихоходным и передавать поступательное движение поршней непосредственно на рычаги крыльев, то появляется проблема возникающих инерционных сил — при попытке передачи работы расширения газа при взрыве за короткий промежуток времени для движения сравнительно больших массивных крыльев.^[12]

В то же время, например, паровой двигатель, позволяющий регулировать скорость и плавность движения поршней, подошел бы гораздо лучше для передачи энергии на машущие крылья. Сама задача постройки орнитоптера в этом случае сводится к конструированию двигателя и агрегатов к нему (котёл с топкой, конденсатор и т. д.) в соответствии с аэродинамикой и кинематикой летательного аппарата.^[12]

Ортоптер

Сама идея орнитоптера — птицекрылого летательного аппарата — подразумевает подражание природным прототипам, птицам и насекомым, как в форме крыльев, так и в движениях ими. Однако некоторые изобретатели в попытках создать пилотируемый аппарат на мускульной тяге, приходили к довольно замысловатым решениям, как, например, крылья-жалюзи, пытаясь превзойти природное решение техническим подходом.

Один из наиболее распространенных типов нептицеподобных машущих аппаратов — ортоптер (англ. orthopter, от др.-греч. ορθός — прямой и πτερόν — крыло), прямокрылый — летательный аппарат, использующий для получения подъёмной силы прямой «удар» плоскостью крыла при взмахе вниз.

Орнитоптеры в мире

Ортоптер Джеймса Делориера до установки на него реактивного двигателя, 2004 год.

Наибольшую известность получили два проекта. Американский конструктор Пол Маккриди, знаменитый своим самолетом с мускульным приводом, перелетевшим в 1979 г. Ла-Манш, построил в 1986 году модель птерозавра с машущим крылом. Модель запускалась с помощью катапульты, затем она планировала, включалось машущее крыло, но так, чтобы медленные движения крыла с малой амплитудой просто не мешали модели планировать. Это была лишь внешняя имитация машущего полета. В итоге модель была продана в Смитсоновский музей.

Второй проект разрабатывался американо-канадской группой, возглавляемой профессором Торонтского университета Джеймсом Делоуриером. В сентябре 1991 года им удалось продемонстрировать полёт радиоуправляемой модели весом 3,36 кг.

В 2002 году появились сообщения, что Делоуриер построил пилотируемый махолет, который никак не может взлететь. Его обсчет по опубликованным данным показал, что этот аппарат и не мог летать. Однако полет состоялся в 2006 г., но только при помощи дополнительного ракетного двигателя. Делоуриер сам не считает это осуществлением машущего полета.

В России

В России интерес к идее машущего полета традиционен. Н. Е. Жуковский, изучая полеты птиц, разрабатывал свои аэродинамические теории. Значительный вклад в изучение машущего полета внесли академики М. К. Тихонравов и Г. И. Петров.

Впервые группа студентов и инженеров под руководством профессора МАИ Киселева В.А. осуществила и продемонстрировала машущий полет в 1981 году. С тех пор ими были испытаны радиоуправляемые модели махолетов весом 7…10 кг; созданы проекты больших пилотируемых машущекрылых ЛА различного назначения; разработаны основы проектирования таких аппаратов, завершено рабочее проектирование (выполнен комплект рабочих чертежей) пилотируемого человеком махолета, способного перелететь Ла-Манш — традиционный «барьер» для новых видов ЛА. Однако постоянные кризисы в экономике затягивают его строительство.

См. также

Мускулолёт
Икар

Патент № 2378157: Орнитоптер (рус.) (27 июля 2007). — Пример патента на птицекрылый летательный аппарат. Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 17 июля 2012.

Примечания

Слово «орнитоптер» на Грамота.ру (рус.). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 12 июля 2012.
Приложение 7 к Конвенции, 2003, с. 1
Авиация: Энциклопедия, 1994, с. 330
Приложение 7 к Конвенции, 2003, с. 5
Тихонравов, 1937, с. 89—90
Тихонравов, 1937, с. 87—90
Тихонравов, 1937, с. 31
Родных, 1929, с. 3
Тихонравов, 1937, с. 112
Тихонравов, 1937, с. 91
Тихонравов, 1937, с. 27—29
Тихонравов, 1937, с. 120
Валерий Боздунов Принцип образования подъемной силы крыльев орнитоптера (рус.). aviajournal.com. Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 17 июля 2012.
Жалюзи вместо перьев (рус.) // Юный техник : журнал. — 1982. — № 08. — С. 68—69.

Литература

Приложение 7 к Конвенции о международной гражданской авиации: Национальные и регистрационные знаки воздушных судов = Annex 7 to the Convention on International Civil Aviation — Aircraft Nationality and Registration Marks. — 5-е издание. — ICAO, 2003. — 5 с. — ISBN 92-9194-112-3
Авиация: Энциклопедия / Гл. ред. Г. П. Свищев. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — 736 с. — 25 000 экз. — ISBN 5-85270-086-X
Тихонравов М. К. Полет птиц и машины с машущими крыльями / Ред. С. Г. Козлов. — К.: Типография Государственного научно-технического издательства Украины, 1937. — 127 с. — 2000 экз.
Родных А. Птицекрылые машины. — Л.: Изд. «Красной газеты», 1929. — 46 с. — (Популярная библиотека журнала «Наука и техника»). — 20 000 экз.

Летательные аппараты
Планирующие	Планёр (мотопланер) • Дельтаплан (дельталёт) • Параплан (паралёт · мотопараплан)
Винтокрылые	Автожир • Вертолёт • Винтокрыл • Конвертоплан
Аэростатические	Аэростат (шарльер · монгольфьер · розьер · стратостат) • Дирижабль
Ракетодинамические	Ракетоплан • Крылатая ракета
Другие	Самолёт • Орнитоптер • Мускулолёт • Экраноплан (экранолёт) • Летающая подводная лодка • Циклокоптер